图解入门 半导体元器件精讲

本书改编自东芝株式会社内部培训用书。为了让读者理解以硅（Si）为中心的半导体元器件，笔者用了大量的图解方式进行说明。理解半导体元器件原理最有效的图，其实是能带图。全书共7章，包括半导体以及MOS晶体管的简单说明、半导体的基础物理、PN结二极管、双极性晶体管、MOS电容器、MOS晶体管和超大规模集成电路器件。在本书最后，附加了常量表、室温下（300K）的Si基本常量、MOS晶体管、麦克斯韦玻尔兹曼分布函数、关于电子密度n以及空穴密度p的公式、质量作用定律、PN结的耗尽层宽度、载流子的产生与复合、小信号下的共发射极电路的电流放大倍数、带隙变窄以及少数载流子迁移率、阈值电压Vth、关于漏极电流ID饱和的解释。
本书主要面向具有高中数理基础的半导体初学者，也可供半导体、芯片从业者阅读。

执行直之，国际电子技术与信息科学工程师学会会士（IEEE Fellow）。
毕业于日本东北大学的工学研究科情报工学专业，并取得了博士学位（工学）。
1980年进入东芝株式会社，2019年进入铠侠控股株式会社。
专业领域为半导体器件的仿真以及器件设计。
主要贡献为：
研发了三维器件仿真工具，阐释并解决了器件微缩过程中的问题。
构造了少数载流子迁移率等物理模型，使得器件仿真工具进一步实用化，对超大规模集成电路的实现做出了贡献。
解决了一些静电放电（ESD）软件错误等相关的问题，对闪存的器件设计做出了贡献。此外还进行过功率半导体IGBT相关的研究。
合著了《MOS集成电路的基础》（近代科学社出版）、《最新半导体制程 器件 仿真技术》（REALIZE出版社出版）等书籍。
自2001年，为神奈川大学工学部兼课讲师一职。
自2004年开始的两年间，曾任东京工业大学大学院兼课讲师一职。
曾任日本东北大学大学院客座教授一职。
自2017年开始的两年间，曾任东京工业大学研究员一职。

娄煜，微电子专业硕士。曾从事数字电路评价以及验证工作。熟悉数字电路基础、半导体市场状况，以及数字电路细分领域客户需求。

写在前面
日常生活中，从必需的家电产品到汽车，许多现代设备的更新换代都是受半导体的发展所赐。身边的个人计算机与手机等更是频繁使用到半导体，相信这一点广为人知。
学习半导体的原理，了解它的构造，对于初学者来说门槛可能略高。想要认真学习的话，甚至还需要量子力学知识。到目前为止，出版了很多半导体方面的书，可是对于初学者来说，合适的书并不多见。
关于本书
如果要学习本书，有高中文化程度的物理学基础以及简单的数学基础就可以了，并不需要特别的专业知识。
构成大规模集成电路的器件大部分是MOS晶体管。因此第1章就先说明一下MOS晶体管的概要，为了深入理解，在第2章里介绍能带图，第3章里介绍PN结二极管，在第4章里介绍双极性晶体管，在第5章里介绍MOS电容器。对特别重要的PN结二极管以及MOS电容器的能带图画法进行了详细说明。在第2章中对空穴（hole）密度的求法进行了详细的解释说明。第3章使用能带图对PN结二极管的工作原理进行直观说明。在第4章中，对作为PN结二极管的自然延伸的双极性晶体管进行了说明。值得注意的是，理解双极性晶体管不只是理解其本身，对于理解MOS晶体管的原理也会有所帮助。在第5章出现的MOS电容器可以被视为PN结二极管中的接合部分中加入了一层绝缘膜而得到的东西。因此，如果会画PN结二极管的能带图，也应该能立刻画出MOS电容器的能带图。能理解以上这些能带图，对于第6章MOS晶体管的工作原理也能直观理解。在同一章里，对于MOS晶体管的电流电压特性的物理意义，笔者会使用简单的式子进一步明确。在第7章中, 对于作为超大规模集成电路元器件的MOS晶体管，笔者会对其微缩方向——缩放比例定律进行说明。然后，对于微缩化的难点——MOS晶体管的短沟道效应，CMOS器件的闩锁效应以及互连线的微缩化造成的信号延迟也会提及。作为延伸，对大规模集成电路中广泛使用的闪存技术也会进行概述。
笔者自2001年开始在大学教授半导体元器件相关科目。每年会教70名左右电气电子情报专业的学生，到目前为止，在课上也被问了许多问题。本书会提到这些问题并着重于如何让读者容易理解这些问题。
通过阅读本书，读者应该能画出PN结二极管以及MOS电容器的能带图。然后从这些能带图能进一步直观地理解半导体元器件的工作原理。在此希望读者能边读边问“为什么”。衷心希望这本书能成为读者理解半导体元器件的契机，成为读者深入学习的基础。

关于在授课中使用本书
为了让读者在自学自习中也能使用本书，每章的开头写有“目标”“提前学习”“这一章的项目”，章末有习题以及解答。
以下是笔者提议的学习计划。
第1课时：第1章半导体以及MOS晶体管的简单说明。
第2课时：2.1能带。
第3课时：2.2费米统计与半导体。
第4课时：2.3电中性条件以及质量作用定律。
第5课时：2.4扩散与漂移，2.5静电场的基本公式。
第6课时：3.1PN结二极管的结构以及整流作用，3.2~3.3能带图。
第7课时：3.4电流电压特性。
第8课时：第4章双极性晶体管。
第9课时：5.1MOS电容器的C-V特性。
第10课时：5.2MOS结构的能带图，5.3C-V特性的频率依赖性。
第11课时：6.1MOS晶体管的工作原理。
第12课时：6.2电流电压特性，6.3NMOS与PMOS。
第13课时：6.4反相器。
第14课时：7.1器件微缩的方向：缩放比例定律，7.2器件微缩的难点。
第15课时：7.3互连线微缩造成的信号延迟，7.4闪存。
其中，如果将第6课时3.1~3.3节的PN结二极管的能带图作为重点而使用两次课时学习，则可省略掉第8课时出现的第4章内容即双极性晶体管部分，或者省略掉第15课时的7.3节和7.4节的互连线微缩造成的信号延迟以及闪存的内容。
致谢
在写这本书的过程中，得到了来自东芝株式会社多位员工的帮助，笔者想在此表示深深的感谢。
这本书的由来是当时在东芝株式会社内部写书的机会。笔者想对给我这个机会并在之后提供许多帮助的田中真一先生表示感谢。对参与校阅本书的松川尚弘先生、间博显先生、谷本弘吉先生、堀井秀人先生、远田利之先生、金箱和范先生、成毛清实先生、远藤真人先生、竹中康记先生表示感谢。对岩佐知惠女士的支持和帮助表示感谢。
另外想对近代科学社的山口幸治先生、大塚浩昭先生、安原悦子女士表示感谢。
最后，想对一直以来安静地关照着在休息日写书的笔者的妻子表示感谢。
这本书是基于东芝株式会社面向集团内部发行的《面向初学者的半导体器件》增补改编而来的。
关于增补版
本书自从2017年3月出版发行以来，被众多大专院校指定为教科书，赢得了诸多好评，以至重印了3次之多。这次为了更加深入地说明基本的MOS晶体管的电流电压特性，而发行了增补版。
增补版的主要变化在于以下两点：其一，追加了“MOS晶体管的漏极电流ID的饱和原因”。ID的饱和是非常基础的。在增补版中，追加了漏极电流的饱和原因——沟道的源端的电场Es饱和了，源端的载流子速度vS变为定值。其二，在附录里添加了“从基本专利到实用化花了32年的MOS晶体管”。
衷心希望本书能在添加以上增补内容后，对更广大的读者有所帮助。

前言
第1章 半导体以及MOS晶体管的简单说明/
1.1半导体的历史/
1.2半导体的概述/
1.3MOS晶体管的概述/
习题/
习题解答/
第2章 半导体的基础物理/
2.1能带/
2.1.1电子是粒子还是波/
2.1.2非连续的能级/
2.1.3能带（连续能级）/
2.2费米统计与半导体/
2.2.1费米-狄拉克分布函数/
2.2.2绝缘体、半导体、金属的区别/
2.2.3本征半导体/
2.2.4N型以及P型半导体/
2.3电中性条件以及质量作用定律/
2.3.1电中性条件/
2.3.2质量作用定律/
2.3.3电子与空穴的密度/
2.4扩散与漂移/
2.4.1扩散电流/
2.4.2漂移电流/
2.4.3电子与空穴的电流密度/
2.5静电场的基本公式/
2.5.1静电场的基本公式/
2.5.2电荷密度、电场、电动势的图解/
习题/
习题解答/
第3章 PN结二极管/
3.1PN结二极管的结构以及整流作用/
3.1.1PN结二极管的构造/
3.1.2整流作用/
3.2能带图（接地时）/
3.2.1接合之前的能带图/
3.2.2接合之后的能带图/
3.2.3能带图与电荷密度、电场及电动势/
3.3能带图（施加偏置时）/
3.3.1反向偏置时的能带图/
3.3.2正向偏置时的能带图/
3.4电流电压特性/
3.4.1扩散长度/
3.4.2空间电荷区中的PN积/
3.4.3正向偏置下的电流电压特性/
3.4.4反向偏置下的电流电压特性/
习题/
习题解答/
第4章 双极性晶体管/
4.1双极性晶体管的能带图/
4.1.1双极性晶体管的结构/
4.1.2能带图/
4.2电流放大倍数与截止频率/
4.2.1电流放大倍数/
4.2.2电流放大倍数的导出/
4.2.3截止频率/
习题/
习题解答/
第5章 MOS电容器/
5.1MOS电容器的C-V特性/
5.1.1电容的说明/
5.1.2MOS电容器的电容/
5.2MOS结构的能带图/
5.2.1能带图（接地）/
5.2.2能带图（施加栅极电压的情况）/
5.3C-V特性的频率依赖性/
5.3.1低频下的C-V特性/
5.3.2高频下的C-V特性/
习题/
习题解答/
第6章 MOS晶体管/
6.1MOS晶体管的工作原理/
6.1.1MOS晶体管构造/
6.1.2电动势分布与电子流动/
6.2电流电压特性/
6.2.1线性区以及饱和区/
6.2.2电流电压特性的简单公式/
6.2.3考虑漏极电压VD情况下的漏极电流ID的式子/
6.2.4漏极电流ID饱和的理由/
6.2.5亚阈值区/
6.3NMOS与PMOS/
6.4反相器/
6.4.1电阻负载型反相器/
6.4.2CMOS反相器/
习题/
习题解答/
第7章 超大规模集成电路器件/
7.1器件微缩的方向：缩放比例定律/
7.1.1器件微缩化的好处/
7.1.2缩放比例定律/
7.2器件微缩的难点/
7.2.1短沟道效应/
7.2.2CMOS器件的闩锁效应/
7.3互连线微缩造成的信号延迟/
7.3.1定性的说明/
7.3.2延迟时间的估算/
7.4闪存/
7.4.1存储器LSI的分类/
7.4.2闪存：数据写入以及擦除/
习题/
习题解答/
附录/
【附录1】常量表/
【附录2】室温下（300K）的Si基本常量/
【附录3】从基本专利到实用化花了32年的MOS晶体管/
【附录4】麦克斯韦-玻尔兹曼分布函数/
【附录5】关于电子密度n以及空穴密度p的公式/
【附录6】质量作用定律/
【附录7】PN结的耗尽层宽度/
【附录8】载流子的产生与复合/
【附录9】小信号下的共发射极电路的电流放大倍数/
【附录10】带隙变窄以及少数载流子迁移率/
【附录11】阈值电压Vth/
【附录12】关于漏极电流ID饱和的解释/